摘　要:分析了低壓系統(tǒng)暫時(shí)過(guò)電壓情況以及限壓型電涌保護(hù)器在暫時(shí)過(guò)電壓情況下的性能表現(xiàn)。介紹了現(xiàn)行國(guó)標(biāo)對(duì)電涌保護(hù)器的TOV考核要求,以及IEC標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況。指出電涌保護(hù)器應(yīng)當(dāng)進(jìn)行暫時(shí)過(guò)電壓試驗(yàn)考核。

　　0　引　言

　　在電力系統(tǒng)中,因雷擊、操作和故障等原因造成的瞬態(tài)過(guò)電壓和暫時(shí)過(guò)電壓是不可避免的。電涌保護(hù)器(SPD)成為了電子信息技術(shù)產(chǎn)品免遭瞬態(tài)過(guò)電壓侵害的“保護(hù)神”。由于SPD產(chǎn)品在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)中對(duì)暫時(shí)過(guò)電壓(TOV)的考核是按需進(jìn)行的,人們一度忽視了暫時(shí)過(guò)電壓可能對(duì)SPD造成的威脅,致使SPD在使用過(guò)程中失火現(xiàn)象頻繁。

　　SPD在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的是泄放電涌電流和限制電涌電壓,本身不具備限制暫時(shí)過(guò)電壓的能力,而且暫時(shí)過(guò)電壓對(duì)SPD的安全使用可能產(chǎn)生致命危險(xiǎn),因此需要研究SPD實(shí)際工作環(huán)境中可能遭受的暫時(shí)過(guò)電壓情況以及SPD在暫時(shí)過(guò)電壓情況下的性能表現(xiàn),以避免著火等嚴(yán)重電氣事故的發(fā)生。

　　1　低壓系統(tǒng)中暫時(shí)過(guò)電壓情況分析

　　無(wú)論是高壓系統(tǒng)接地故障,還是低壓系統(tǒng)內(nèi)部故障,都會(huì)在低壓系統(tǒng)中產(chǎn)生暫時(shí)過(guò)電壓。

　　這些故障產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間是有差異的,與故障類型、故障點(diǎn)位置、變電所接地極結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)接地類型和用于排除故障的方式等有關(guān)。即使同一故障類型,在不同接地形式的低壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓情況也是不同的。這些故障產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓對(duì)SPD安全使用可能造成威脅,現(xiàn)加以分析。

　　1. 1　高壓系統(tǒng)接地故障在低壓側(cè)產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ 65—1983《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》,允許高(中)壓系統(tǒng)的保護(hù)接地和低壓系統(tǒng)的系統(tǒng)接地在變電所共用一個(gè)接地極。在這種情況下,高壓側(cè)發(fā)生接地故障后產(chǎn)生的故障電流流經(jīng)共用接地極時(shí)就可能在低壓側(cè)產(chǎn)生暫時(shí)過(guò)電壓。所產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓幅值和持續(xù)時(shí)間由高壓側(cè)系統(tǒng)接地形式?jīng)Q定。

　　目前,我國(guó)電力網(wǎng)(3~10 kV)的系統(tǒng)接地有不接地、經(jīng)消弧線圈諧振接地、高電阻接地和低電阻接地等4種形式。依據(jù)產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓情況,可以歸為兩類。

　　1. 1. 1　高壓側(cè)有限制接地電流

　　高壓側(cè)不接地、經(jīng)消弧線圈諧振接地和高電阻接地可以歸為一類。對(duì)于此類接地系統(tǒng),根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621[6]規(guī)定,高壓側(cè)接地故障傳導(dǎo)至低壓側(cè)的暫時(shí)過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)120 V,比系統(tǒng)電壓低得多,不會(huì)對(duì)SPD的安全構(gòu)成危害。

　　1. 1. 2　高壓側(cè)經(jīng)低電阻接地

　　對(duì)于高壓側(cè)經(jīng)低電阻接地的系統(tǒng), GB16895. 11—2001《建筑物電氣裝置第4部分:安全防護(hù)第44章:過(guò)電壓保護(hù)第442節(jié):低壓電氣裝置對(duì)暫時(shí)過(guò)電壓和高壓系統(tǒng)與地之間的故障的防護(hù)》規(guī)定了高壓側(cè)接地故障傳導(dǎo)至低壓側(cè)的暫時(shí)過(guò)電壓值為1 200 V。低壓設(shè)備承受的過(guò)電壓視系統(tǒng)的接地形式如下:

　　(1)當(dāng)?shù)蛪簜?cè)為TN系統(tǒng)時(shí),由于電氣裝置的外露導(dǎo)電部分通過(guò)與接地的電源中性點(diǎn)連接接地,中性點(diǎn)、中性線(保護(hù)中性線)、保護(hù)接地線對(duì)地電位同時(shí)升高,設(shè)備不承受暫時(shí)過(guò)電壓。

　　(2)當(dāng)?shù)蛪簜?cè)為TT和IT系統(tǒng)時(shí),由于電氣裝置外露導(dǎo)電部分直接連接大地,獨(dú)立于電源的接地,會(huì)在中性線與保護(hù)接地線(N-PE)、相線與保護(hù)接地線(L-PE)之間產(chǎn)生嚴(yán)重的暫時(shí)過(guò)電壓。

　　N-PE之間的過(guò)電壓為高壓側(cè)傳導(dǎo)的1 200 V, L-PE之間的暫時(shí)過(guò)電壓幅值為U0+1 200 V。

　　低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),產(chǎn)生的接地短路電流較大,高壓側(cè)過(guò)電流保護(hù)器動(dòng)作。根據(jù)GB 18802. 12[2]的解釋,過(guò)電流保護(hù)器快速動(dòng)作使暫時(shí)過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過(guò)200 ms。

　　1. 2　低壓系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓情況

　　低壓系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生相中線短路、相線導(dǎo)體意外接地、中性線斷線等故障時(shí),均會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)過(guò)電壓。其幅值和持續(xù)時(shí)間取決于故障類型、系統(tǒng)的接地類型、中性線(保護(hù)中性線)截面積的選取、負(fù)荷的不平衡程度以及排除故障的方式等。

　　1. 2. 1　相中線短路引起的暫時(shí)過(guò)電壓

　　當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)發(fā)生相中線短路故障時(shí),故障電流在故障點(diǎn)流經(jīng)一段中性線返回電源,在流經(jīng)的中性線上會(huì)產(chǎn)生電壓降ΔUN。ΔUN與系統(tǒng)電壓U0的矢量和成為了非故障相線與中性線(L-N)間的暫時(shí)過(guò)電壓UTOV。

　　ΔUN的大小取決于中性線的截面積。國(guó)家和電力行業(yè)多部標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了中性線截面積至少應(yīng)為1/2~1倍的相線截面積,由此可以推算出非故障相線與中性線(L-N)間的暫時(shí)過(guò)電壓幅值為1. 32~1. 45U0。

　　發(fā)生相中線短路故障時(shí),考慮到人身安全,故障導(dǎo)致的不同預(yù)期接觸電壓有相應(yīng)的切斷電源時(shí)間,但長(zhǎng)不超過(guò)5 s。

　　1. 2. 2　相線導(dǎo)體意外接地引起的暫時(shí)過(guò)電壓

　　在TT系統(tǒng)中,相線的意外接地會(huì)在相線與保護(hù)接地線(L-PE)之間形成幅值高達(dá)√3U0的暫時(shí)過(guò)電壓。這個(gè)暫時(shí)過(guò)電壓會(huì)持續(xù)到過(guò)電流保護(hù)裝置切斷電源為止,長(zhǎng)不超過(guò)5 s。

　　1. 2. 3　中性線斷線故障引起的過(guò)電壓

　　中性線斷線故障會(huì)導(dǎo)致中性位的偏移,嚴(yán)重時(shí)會(huì)偏移到線電壓構(gòu)成的正三角形一條邊上,使其中一相線與中性線間電壓達(dá)到線電壓的√3U0,如圖1所示。

圖 1中性線斷線導(dǎo)致中性位的偏移

　　目前,對(duì)于中性線斷線沒(méi)有很好的故障保護(hù)方法,一旦出現(xiàn)中性線斷線會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞。

　　因此,規(guī)范規(guī)定了通過(guò)增大中性線截面積以及避免中性線承受過(guò)大應(yīng)力等措施來(lái)降低中性線斷線的概率。

　　1. 3　低壓系統(tǒng)的暫時(shí)過(guò)電壓綜述

　　綜上所述,低壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電壓值如表1所示。

表 1　低壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電壓值

　　2　暫時(shí)過(guò)電壓對(duì)SPD的影響

　　SPD遭受表1所示的暫時(shí)過(guò)電壓時(shí),會(huì)出現(xiàn)怎樣的狀況呢?下面使用量的限壓型SPD作為研究的典型例子。

　　2. 1　限壓型SPD (MOV)在暫時(shí)過(guò)電壓情況下的性能表現(xiàn)

　　眾所周知,限壓型SPD的元件為氧化鋅壓敏電阻 (MOV)。 氧化鋅壓敏電阻有一個(gè)重要參數(shù):壓敏電壓 U1 mA ,即通過(guò) 1 mA直流電流時(shí)施加在壓敏電阻兩端的電壓。當(dāng)壓敏電阻通過(guò) 1 mA以下電流時(shí) ,工程上認(rèn)為 SPD未導(dǎo)通。壓敏電壓U1 mA是 SPD選擇壓敏電阻片的原則之一。一方面 ,為了使 SPD在沒(méi)有雷電流的情況下不導(dǎo)通 ,壓敏電壓要大于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的電壓值 ,一般取 U1 mA ≥k·√2U0 ( k是比例系數(shù) , k >1) ;另一方面 ,壓敏電壓值決定了產(chǎn)品的電壓保護(hù)水平。為了實(shí)現(xiàn)較低的電壓保護(hù)水平,壓敏電壓值不能取得太高 , SPD選擇壓敏電阻的壓敏電壓不能大于表 2中列出的所有暫時(shí)過(guò)電壓值。

表 2耐受階段持續(xù)時(shí)間和流經(jīng)壓敏電阻的電流

　　由于表2中所列出的暫時(shí)過(guò)電壓值可能超過(guò)SPD選用壓敏電阻的壓敏電壓,需要研究SPD在暫時(shí)過(guò)電壓情況下的性能表現(xiàn)。為此,進(jìn)行了如下試驗(yàn):取UC=275 V(SPD持續(xù)工作電壓)的限壓型SPD進(jìn)行試驗(yàn),其中壓敏電阻的壓敏電壓U1 mA=420 V。試驗(yàn)時(shí), SPD兩端施加450 V(有效值)、不同預(yù)期短路電流的工頻電壓。

　　流經(jīng)SPD的電流波形如圖2所示。圖2中顯示了兩個(gè)階段:耐受階段T1,沒(méi)有明顯的現(xiàn)象,持續(xù)時(shí)間和流經(jīng)SPD的電流在不同預(yù)期短路電流情況下是不同的(見(jiàn)表2);擊穿階段T2,出現(xiàn)持續(xù)電弧,流經(jīng)SPD的電流近似等于預(yù)期短路電流,因此擊穿階段可以看做壓敏電阻呈現(xiàn)金屬性短路。耐受階段持續(xù)時(shí)間和流經(jīng)壓敏電阻的電流見(jiàn)表2。

圖2　暫時(shí)過(guò)電壓情況下流經(jīng)SPD的電流

　　通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),限壓型SPD(MOV)具有一定的暫時(shí)過(guò)電壓耐受能力。耐受時(shí)間與預(yù)期短路電流有關(guān),預(yù)期短路電流越大,耐受時(shí)間越短。SPD被擊穿時(shí)伴隨電弧出現(xiàn),可能因此起火。因此,在SPD發(fā)生擊穿后的一定時(shí)間內(nèi)必須切斷,其熱脫離裝置不能保證實(shí)現(xiàn)完全有效的保護(hù),所以必須附加一定的后備過(guò)電流保護(hù)措施。

　　2. 2　應(yīng)當(dāng)對(duì)SPD進(jìn)行TOV考核

　　從TOV特性試驗(yàn)中可以看出,暫時(shí)過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致壓敏電阻片(MOV)發(fā)生金屬性短路且伴隨持續(xù)電弧,這可能會(huì)造成火災(zāi),因此SPD的TOV考核應(yīng)該是必須進(jìn)行的。

　　由于壓敏電阻自身具有一定的TOV耐受能力,對(duì)于低壓系統(tǒng)內(nèi)部故障產(chǎn)生的暫時(shí)過(guò)電壓, SPD可以呈現(xiàn)耐受特性,也允許呈現(xiàn)安全失效的故障模式;對(duì)于高壓系統(tǒng)故障在低壓側(cè)引起的暫時(shí)過(guò)電壓,由于幅值很大,試驗(yàn)過(guò)程中SPD可以損壞,但不能起火,呈現(xiàn)安全失效的故障模式?，F(xiàn)行國(guó)標(biāo)[1]中對(duì)SPD的TOV性能考核就是這樣要求的。

　　3　標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)SPD的TOV性能考核

　　現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB 18802. 1—2002[1]對(duì)SPD的TOV性能考核是按需進(jìn)行的。在GB/T18802. 12—2006[2]中明確表示對(duì)SPD的TOV考核不考慮中性線斷線的情況。由上面的分析可知:在SPD的型式試驗(yàn)考核中,必須進(jìn)行TOV性能考核。

　　3. 1　現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB 18802. 1對(duì)SPD的TOV考核要求

　　現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB 18802. 1—2002[1]是等同采用IEC 61643. 1—1998的,對(duì)SPD的TOV考核分為兩個(gè)方面:TOV故障試驗(yàn)和TOV特性試驗(yàn)。

　　TOV故障試驗(yàn)實(shí)際上是模擬高壓系統(tǒng)接地故障在低壓側(cè)引起的暫時(shí)過(guò)電壓情況, SPD在試驗(yàn)后可以損壞,但是試驗(yàn)過(guò)程中不可以起火,也即具有安全失效的故障模式;TOV特性試驗(yàn)實(shí)際上是模擬低壓系統(tǒng)內(nèi)部短路和相線意外接地引起的暫時(shí)過(guò)電壓情況, SPD可以呈現(xiàn)制造廠聲明的故障模式或耐受特性。

　　GB 18802. 1—2002[1]中列出的用于TOV考核的試驗(yàn)值簡(jiǎn)化如表3所示。

表3　GB18802.1—2002中列出的用于考核的TOV值

　　3. 2　IEC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展情況

　　IEC在2005年發(fā)布的IEC 61643. 1—2005[3]中明確規(guī)定了TOV試驗(yàn)是必須進(jìn)行的。試驗(yàn)按照TOV成因分為在高壓系統(tǒng)故障引起的TOV下試驗(yàn)和在低壓系統(tǒng)故障引起的TOV下試驗(yàn),并分別給出了試驗(yàn)電路示例及時(shí)序圖。該標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有要求SPD考慮在中性線斷線情況下的性能。目前, IEC/SC37A/WG5工作組正在IEC 61643. 1—2005的基礎(chǔ)上制定IEC 61643. 11,內(nèi)容將有較大的變化,其中TOV考核將增加中性線斷線情況下的考核。IEC 61643. 11(CD版)提出的考核參數(shù)為幅值3UCS(UCS是考慮了偏差的系統(tǒng)持續(xù)工作電壓)、持續(xù)時(shí)間120 min。考慮到四級(jí)開(kāi)關(guān)等因素的作用,使中性線斷線故障不能完全避免,這樣的考核要求是合理的。SPD的制造商應(yīng)當(dāng)考慮產(chǎn)品在中性線斷線故障下的性能。

　　4　結(jié)　語(yǔ)

　　(1)無(wú)論是高壓側(cè)故障傳導(dǎo)至低壓側(cè),還是低壓系統(tǒng)內(nèi)部故障,均會(huì)在SPD安裝處產(chǎn)生暫時(shí)過(guò)電壓。

　　(2)暫時(shí)過(guò)電壓威脅著SPD的安全使用,因此必須對(duì)SPD進(jìn)行暫時(shí)過(guò)電壓試驗(yàn)考核。對(duì)SPD的暫時(shí)過(guò)電壓考核必須涵蓋所有可能出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電壓情況,包括中性線斷線情況下SPD的暫時(shí)過(guò)電壓性能考核。

　　(3) SPD制造商應(yīng)當(dāng)重視產(chǎn)品的TOV性能,同時(shí)通過(guò)采用后備保護(hù)措施來(lái)確保系統(tǒng)的安全。